火力發(fā)電廠全廠輔網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)施

辛建宏，李笑峰

（1.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741020；2.天水生產(chǎn)力促進(jìn)中心，甘肅 天水 741000）

1 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)、測量控制技術(shù)、信號處理系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展與成熟，新一代PLC已經(jīng)基本達(dá)到了DCS產(chǎn)品的功能，而且具有開放性好、建設(shè)周期短及性能價格比高等優(yōu)點(diǎn)，并伴隨著火力發(fā)電廠對管理水平的提高,為消除各個外圍輔助車間自動化控制系統(tǒng)存在的“孤島現(xiàn)象”，而將電廠各輔助車間控制系統(tǒng)（監(jiān)控范圍主要為水網(wǎng)系統(tǒng)、煤網(wǎng)系統(tǒng)、灰網(wǎng)系統(tǒng)、全廠閉路工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)）聯(lián)成一體實(shí)現(xiàn)全廠輔助監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一體化集中監(jiān)控，在技術(shù)上不僅是可行的，而且已開始逐漸成為當(dāng)前國內(nèi)大型火力發(fā)電廠的主流設(shè)計方向。本文以某電廠輔網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)為例來說明火力發(fā)電廠中輔網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)施過程。

2 電廠一期工程輔網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)施

2.1 設(shè)計和實(shí)施的目標(biāo)

輔助車間監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡稱輔控網(wǎng)，又稱BOP即Balance Of Plant的縮寫，某電廠一期工程（4×600MW）燃煤機(jī)組全廠輔網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)施的目標(biāo)是對鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、綜合水泵房、生活污水處理系統(tǒng)、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)、循環(huán)水加藥系統(tǒng)、制氫站、供熱站、采暖加熱站、輸煤系統(tǒng)、燃油泵房、除灰系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制和監(jiān)控，完成電廠的管控一體化。它是應(yīng)用自動化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將以上各個輔助車間控制系統(tǒng)聯(lián)結(jié)成一個集中監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，監(jiān)控點(diǎn)設(shè)在電廠集中控制室里，監(jiān)控計算機(jī)和DCS系統(tǒng)并排放置同一操作臺上，由1-3名運(yùn)行人員完成對各個輔助車間系統(tǒng)的操作和監(jiān)視，全廠各輔助車間按無人值班設(shè)計（輸煤車間暫時除外）。同時將各現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過軟硬件接口提供給上層DCS系統(tǒng)及SIS系統(tǒng)，這樣不僅在通訊線路上聯(lián)通了電廠各網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而且在軟件上實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)從下層到上層的流動，各運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)更具精確和真實(shí)，為電廠的科學(xué)化管理創(chuàng)造有利條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 輔網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

電廠各個輔助車間控制系統(tǒng)的配置如表1所示。

從表1可以看出各個子控制系統(tǒng)物理位置分布比較分散且距集控室的路徑較長，匯集到上層網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量大（全廠閉路工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)流也上輔網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)和輔助車間設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的雙網(wǎng)合一），網(wǎng)絡(luò)線路的通訊負(fù)荷將非常高，因此本輔網(wǎng)最終決定采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組建雙光纖自愈環(huán)網(wǎng)作為各輔助車間監(jiān)控系統(tǒng)通往上層輔網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，以1000Mbps MODBUS TCP/IP的光纖工業(yè)快速以太網(wǎng)作為信息傳遞和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w，通訊介質(zhì)為4芯單模鎧裝光纜，規(guī)格為9/125μm，光波波長為1310nm，輔網(wǎng)系統(tǒng)的服務(wù)器、工作站、打印機(jī)和主交換機(jī)相聯(lián)；下層各控制系統(tǒng)通過本地兩臺冗余的帶千兆光口的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入輔網(wǎng)中，PLC和上位監(jiān)控機(jī)系統(tǒng)通過5類雙絞線分別和兩臺本地交換機(jī)的百兆口連接，呈互相熱備冗余的星型以太網(wǎng)配置狀態(tài)，這樣以各子控制系統(tǒng)的兩臺本地交換機(jī)的千兆網(wǎng)口作為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接點(diǎn)，搭建出本輔網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)配置如圖1所示。

表1 電廠各個輔助車間控制系統(tǒng)的配置

該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以劃分為3層,底層為PLC控制網(wǎng)絡(luò)層，主機(jī)采用雙機(jī)熱備（雙電源、雙CPU、雙通訊模塊、雙機(jī)架），網(wǎng)絡(luò)通訊線路按照雙纜冗余配置，控制主機(jī)通過灌入的控制程序完成各自生產(chǎn)工藝過程的控制任務(wù)；中層為生產(chǎn)車間網(wǎng)絡(luò)層，是PLC和工控上位機(jī)之間的實(shí)時監(jiān)控通訊網(wǎng)絡(luò),在設(shè)備調(diào)試和試運(yùn)行階段通過本地上位監(jiān)控機(jī)監(jiān)控各現(xiàn)場被控設(shè)備，下發(fā)各種操作命令，通訊速率為百兆，介質(zhì)為5類雙絞線；最上層是輔網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)層，采用雙光纖千兆自愈環(huán)網(wǎng)來匯集各個下層子控制系統(tǒng)的現(xiàn)場底層數(shù)據(jù)，通過物理（交換機(jī)）和邏輯（VLAN）手段將輔助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)按照功能劃分后，逐級分配，使系統(tǒng)成為模塊化、局部化結(jié)構(gòu)，特定的數(shù)據(jù)流會在各自的網(wǎng)絡(luò)中快速流動傳遞，保證信息的實(shí)時性和高速性。

2.3 輔網(wǎng)系統(tǒng)硬件的選擇

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：2臺，選用Ftserver4410至強(qiáng)系列，它是一種可以實(shí)現(xiàn)零時間停機(jī)的服務(wù)器，在一些關(guān)鍵性領(lǐng)域里應(yīng)用非常廣泛，例如：電信、機(jī)場、銀行、冶金行業(yè)、電力行業(yè)等一切要求高可用性的行業(yè)。它具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

①零停頓時間：服務(wù)器系統(tǒng)采用三模（TMR）硬件體系結(jié)構(gòu)，它具有極大的穩(wěn)定性。

②無故障恢復(fù)時間：系統(tǒng)所有關(guān)鍵部件均為冗余配置，冗余部件時鐘同步運(yùn)行相同指令。保證即使在硬件出現(xiàn)故障時，其冗余部件仍然保持繼續(xù)運(yùn)行，從而保證當(dāng)前工作任務(wù)的處理應(yīng)用不會因此而停頓和數(shù)據(jù)丟失。

③無內(nèi)存數(shù)據(jù)丟失：Stratus獨(dú)特的冗余硬件結(jié)構(gòu)不但保證磁盤靜態(tài)數(shù)據(jù)的完整性，而且能保證內(nèi)存數(shù)據(jù)的完整性與一致性。

圖1 系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)配置圖

④應(yīng)用透明性：Stratus故障處理在硬件部件級完成，任何故障均能被自動隔離，而不會導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)一步嚴(yán)重問題，Stratus容錯系統(tǒng)對應(yīng)用是透明的。

具體配置配置為：雙路四核Intel Xeon processor 2.00 GHz，12M高速緩存，內(nèi)存4G,硬盤為146G.15K.SASX2容量為3T，2塊千兆以太網(wǎng)卡，用于接通下層控制網(wǎng)絡(luò)。由于全廠輔助監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件體系采用C/S模式架構(gòu)，作為輔網(wǎng)上位機(jī)與下層PLC之間的通訊通道，2臺服務(wù)器各自配置有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫，互為熱備用。

操作員及工程師站：3臺，選用IPC-610工業(yè)控制計算機(jī)，其配置為Pentium IV2.8G，2G內(nèi)存，160GBSCSI總線硬盤，50倍光驅(qū)，雙以太網(wǎng)卡。每個站都設(shè)有足夠的監(jiān)控畫面幅數(shù)以保證各工藝系統(tǒng)和控制對象的完整性及所控系統(tǒng)的運(yùn)行和控制狀況。各系統(tǒng)的監(jiān)控畫面統(tǒng)一，使各系統(tǒng)具有統(tǒng)一的風(fēng)格，統(tǒng)一的操作方式，并能合理、靈活地進(jìn)行切換和調(diào)用，任何監(jiān)視和控制功能均能在任一操作員站上完成，都配置相同的監(jiān)控軟件，不僅互相熱備，而且在操作上具有互相閉鎖功能。

液晶顯示器（LCD）：6臺，選用24寸美國戴爾產(chǎn)品，點(diǎn)距 0.27mm，亮度大于 250cd/m2，對比度 350：1，分辨率為1600×1200@60Hz，信號電纜采用5分支BNC接頭。滿足下列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求：如UL/C-ULor CSA，TUV/GC，EnergyStar，F(xiàn)CCCLASSB，TCO′99 等。LCD 的可視角滿足：左／右±85°，上下各85°。由于輔控網(wǎng)操作員布置在集中控制室操作臺上，因此，LCD選型與DCS操作員站選型一致。

大屏幕顯示器：2臺，選用工業(yè)級63寸等離子顯示器，能接受模擬視頻信號、數(shù)字視頻信號、計算機(jī)數(shù)字信號的輸入。大屏具有拼接顯示、開窗、多畫面等功能，是獨(dú)立的一個操作員站，用于顯示并控制整個輔網(wǎng)系統(tǒng)。

屏幕拼接裝置（EOS）：1臺，是一種網(wǎng)絡(luò)多屏拼接控制裝置，對大屏幕上窗口的各種操作均由操作員站實(shí)現(xiàn)，可直接通過網(wǎng)絡(luò)連接至輔控系統(tǒng)，支持TCP/IP協(xié)議，可顯示網(wǎng)絡(luò)上的任意一臺和多臺計算機(jī)上應(yīng)用程序的圖形、文字、表格。屏拼接控制裝置提供特別的放大縮小功能，可將用戶指定的信息進(jìn)行準(zhǔn)確的放大和縮小。所有進(jìn)入到EOS的信號都能在兩塊大屏幕上顯示，兩塊大屏幕可拼接顯示一幅完整的畫面。

網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)：2臺，配置一臺美國惠普A3黑白激光打印機(jī)，放置在集中控制室打印各種現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)報表和報警信息，1臺美國惠普A3彩色激光打印機(jī)，放置在電子控制室打印各種管理報表。

輔網(wǎng)交換機(jī)：2臺工業(yè)級千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，選型原則為：①按照模塊化結(jié)構(gòu)搭建交換機(jī)，以便靈活構(gòu)成系統(tǒng)；②具有接受冗余供電的能力；③平均無故障時間（MTBF）大于 52560（h）；④所有可替換模塊（介質(zhì)模塊、冷卻裝置、冗余電源裝置）容許帶電熱插拔和更換；⑤支持符合IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)的VLAN；⑥支持端口鏈路聚集；⑦支持多種診斷功能、內(nèi)置SNMP機(jī)構(gòu)及MIB數(shù)據(jù)庫以方便網(wǎng)絡(luò)的管理和診斷。

DCS接口設(shè)備：1臺，配備硬件防火墻和工業(yè)級接口計算機(jī)，將它作為一臺網(wǎng)關(guān)為DCS系統(tǒng)提供所需的現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)信息，本接口計算機(jī)的配置和操作員站的配置相同。

2.4 輔網(wǎng)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)

2.4.1 應(yīng)用軟件

本輔網(wǎng)系統(tǒng)主要應(yīng)用軟件采用組態(tài)軟件iFix4.0中文版，按照為C/S（客戶端/服務(wù)器）架構(gòu)配置成3層體系結(jié)構(gòu)的分布式系統(tǒng)。

①各個現(xiàn)場控制系統(tǒng)（統(tǒng)一采用最高端的140系列67160 PLC）作為底層數(shù)據(jù)源，運(yùn)行下位控制程序，向服務(wù)器提供現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行實(shí)時數(shù)據(jù)，同時接受服務(wù)器的各種控制命令；

②2臺服務(wù)器作為中間層，各運(yùn)行一套SCADA SERVER無限點(diǎn)版軟件來采集現(xiàn)場底層的實(shí)時數(shù)據(jù)；通過SQL SERVER軟件采集系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)，形成歷史數(shù)據(jù)文件，提供給歷史趨勢圖、操作及報警查詢、其它查詢服務(wù)。服務(wù)器一主一備，呈互相熱備冗余配置，接收來自LCD操作員站的操作指令，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算，形成運(yùn)行指令，發(fā)往現(xiàn)場控制系統(tǒng)。

③LCD操作員站作為客戶機(jī)端運(yùn)行iClient軟件，處在軟件結(jié)構(gòu)的最上層，它向服務(wù)器請求并提取各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)，顯示操作畫面，檢查操作員的身份，接收操作員的各種操作指令，并將其發(fā)往服務(wù)器，提供人機(jī)界面和操作報警與報表的查詢打印服務(wù)。工程師站除和操作員站有相同的功能外，還完成日常的維護(hù)工作，進(jìn)行一些組態(tài)修改工作。

2.4.2 操作系統(tǒng)平臺

操作系統(tǒng)平臺選用Windows中文版，該平臺是目前中小型網(wǎng)絡(luò)主流操作系統(tǒng)，安全性、穩(wěn)定性好，支持絕大多數(shù)軟件工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，資料充足，易于掌握。另外該平臺可管理性出色、系統(tǒng)維護(hù)工作量小。其中服務(wù)器運(yùn)行于Windows 2003 Server，操作員站運(yùn)行于Windows 2000專業(yè)版。

2.4.3 上位監(jiān)控軟件

在本系統(tǒng)中，整個輔網(wǎng)上位監(jiān)控軟件都在工程師站（同時運(yùn)行iClient開發(fā)版和無限點(diǎn)SCADA SERVER版軟件）上開發(fā)完成，開發(fā)完成后按照功能分別移植到服務(wù)器和iClient操作員站，兩者互相配合，共同完成輔網(wǎng)監(jiān)控工作。

2.4.4 數(shù)據(jù)庫軟件

數(shù)據(jù)庫軟件選用微軟MS SQL SERVER 2005，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口和查詢手段向其它用戶提供所需要的數(shù)據(jù)信息，包括 ODBC、OLE DB、ADO、RDO、DAO和JET引擎等軟件工業(yè)數(shù)據(jù)庫接口標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

電廠輔網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)于2009年10月完成整個系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試并正式投入生產(chǎn)運(yùn)行，經(jīng)過近半年現(xiàn)場實(shí)踐的考驗(yàn)，證明該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)施合理安全、不存在“瓶頸”和網(wǎng)絡(luò)通訊堵塞現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高速可靠，完全滿足本廠輔助車間生產(chǎn)運(yùn)行的需要，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計和實(shí)施的初衷，也達(dá)到了全廠監(jiān)控和管理信息網(wǎng)絡(luò)化的需要，提高了全廠自動化控制水平，實(shí)現(xiàn)降低發(fā)電生產(chǎn)成本，為今后取得更大的經(jīng)濟(jì)效益奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］吳功宜.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)高級教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［2］高傳善.數(shù)據(jù)通信與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］高 偉.300MW火力發(fā)電機(jī)組叢書-計算機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京:中國電力出版社，2002.